Методика изучения тепловых явлений на основе строения вещества

«Тепловые явления» включает систему понятий, формирование которых имеет важное мировоззренческое и политехническое значение. К ним относятся: тепловое движение, внутренняя энергия, способы изменения внутренней энергии, количество теплоты, удельная теплоемкость вещества, изменение агрегатных состояний вещества (плавление и отвердевание, испарение и конденсация) их объяснение на основе молекуля

рно-кинетических представлений, превращения энергии в механических и тепловых процессах.

Обилие понятий, которые нужно усвоить учащимся, требует тщательной разработки методики их формирования. Учитель при этом должен опираться на знания, полученные учащимися при изучении первоначальных сведений о строении вещества в VII классе, на понятия о работе и энергии. Это необходимо для объяснения сущности тепловых явлений и формирования основных понятий, таких, как тепловое движение, температура, внутренняя энергия, теплопередача, количество теплоты, удельная теплоёмкость вещества.

Определённые методические трудности возникают в связи с устаревшей терминологией. Основные термины — «теплота», «количество теплоты», «теплоёмкость», «тепловая передача», «теплообмен» — появились в период теплородных представлений, когда под теплотой понимали особую материальную среду. При современных взглядах на природу теплоты такая терминология затрудняет правильное понимание учащимися физической сущности данных терминов и понятий. Однако иной терминологии пока не существует.

Для преодоления трудностей при изучении тем, связанных с формированием у школьников многих сложных и абстрактных понятий, надо идти по пути самого широкого использования демонстрационного и лабораторного физического эксперимента, решения задач и привлечения примеров из жизни, быта, природы и производства.

В неявном виде в данной теме учащиеся знакомятся с первым законом термодинамики и в некоторой степени — со вторым.

Актуальность данной темы дипломной работы заключается в процессе лучшего восприятия учащимися различных сторон и свойств изучаемых процессов и явлений.

Познавательные интересы учащихся к физике складываются из интереса к явлениям, фактам, законам; из стремления познать их сущность на основе теоретического знания, их практическое значение и овладеть методами познания – теоретическими и экспериментальными. Развитие творческих познавательных способностей учащихся – цель деятельности учителя, а применение различных приёмов активизации является средством достижения этой цели. Понимание этого важно для работы учителя.

Все тела состоят из молекул, которые находятся в непрерывном движении. При повышении температуры скорость движения молекул увеличивается, при понижении уменьшается. Следовательно, температура тела зависит от скорости движения молекул. Явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел называются тепловыми.

Например, охлаждение воздуха, таяние льда. Каждая молекула в теле движется по очень сложной траектории. Так, например частицы газа движутся на больших скоростях в разных направлениях, сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда (рис. 1).

Рисунок 1- Тепловое движение, наблюдаемое под микроскопом

Молекулы газов беспорядочно движутся с большими скоростями (сотни м/с) по всему объему газа. Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга, изменяя величину и направление скоростей.

Молекулы жидкости колеблются около равновесных положений (т.к. расположены почти вплотную друг к другу) и сравнительно редко перескакивают из одного равновесного положения в другое. Движение молекул в жидкостях является менее свободным, чем в газах, но более свободным, чем в твердых телах. В твердых телах частицы колеблются около положения равновесия. С ростом температуры скорость частиц увеличивается, поэтому хаотическое движение частиц принято называть тепловым.

Наиболее наглядным экспериментальным подтверждением представлений молекулярно-кинетической теории о беспорядочном тепловом движении атомов и молекул является броуновское движение – это движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе. Броуновское движение обнаруживает большое сходство с диффузионным движением молекул и атомов. Беспорядочное движение мелких твёрдых частиц, находящихся в жидкости или газе, впервые в 1827 г. обнаружил при наблюдении в микроскоп английский ботаник Р. Броун. Это явление смогла объяснить лишь молекулярно-кинетическая теория на основе использования представлений о дискретном строении вещества и беспорядочном тепловом движении молекул (атомов). Молекулы жидкости или газа сталкиваются с твёрдой частицей и изменяют направление передаваемого ими импульса непостоянны во времени. Чем меньше размеры и масса частицы, тем более заметными становятся изменения её импульса во времени. Факт существования броуновского движения свидетельствует о молекулярном строение вещества и беспорядочном движении молекул. При нормальных условиях (давление не очень сильно отличается от атмосферного) плотности газов примерно в 1000 раз меньше плотностей жидкостей и твёрдых тел. Следовательно, расстояние между молекулами (атомами) в газах примерно в 10 раз больше, чем в жидкостях и твёрдых телах. Поэтому можно предположить, что в газах молекулы совершают поступательное движение от одного столкновения до другого. В жидкостях и твёрдых телах молекулы (атомы или ионы) в основном колеблются около некоторых положений равновесия, лишь изредка перескакивая из одного места в соседние, вакантные места. При этом в жидкостях таких вакансий много, и перескоки совершаются довольно часто - этим объясняется текучесть жидкостей. В твёрдых же телах таких вакансий мало, и перескоки совершаются редко. Эти предположения хорошо подтвердились в дальнейших исследованиях свойств вещества в разных агрегатных состояниях.

Температура. Измерение температуры

Температура (от лат. temperatura — надлежащее смешение, нормальное состояние) — скалярная физическая величина, характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

В Международной системе единиц (СИ) термодинамическая температура входит в состав семи основных единиц и выражается в кельвинах. В состав производных величин СИ, имеющих специальное название, входит температура Цельсия, измеряемая в градусах Цельсия. На практике часто применяют градусы Цельсия из-за исторической привязки к важным характеристикам воды — температуре таяния льда (0 °C) и температуре кипения (100 °C). Это удобно, так как большинство климатических процессов, процессов в живой природе и т. д. связаны с этим диапазоном. Градус Цельсия по определению равен кельвину. Поэтому после введения в 1967 г. нового определения Кельвина, температура кипения воды перестала играть роль неизменной реперной точки и, как показывают точные измерения, она уже не равна 100 °C, а близка к 99,975 °C.

Существуют также шкалы Фаренгейта и некоторые другие.

Для измерения термодинамической температуры выбирается некоторый термодинамический параметр термометрического вещества. Изменение этого параметра однозначно связывается с изменением температуры. Классическим примером термодинамического термометра может служить газовый термометр, в котором температуру определяют методом измерения давления газа в баллоне постоянного объема. Известны также термометры абсолютные радиационные, шумовые, акустические.